矿井水文地质特点分析及防治水技术探究

2022-11-06

调查煤矿的水文地质条件,了解地下水文地质的内在价值形式,是实现防洪工作控制矿井水灾发生的必要条件。只有保证煤矿安全稳定生产运行,才能保护职工安全工作和国家矿产资产。

1.现阶段煤矿水害防治工作面临的问题

(1)水文勘测工作不佳

当前,大多数煤矿的地质和水文调查不够全面。随着中国大多数煤矿生产和运输安全指标的不断提高,过去收集的水文地质条件资料不再能够满足当前的生产需求。尽管部分煤炭开采单位在安全检查过程中补充了地质和水文状况的报告,但这些报告大多数不符合水文调查要求。此外,也有部分报告的内容不符合实际情况,没有参考价值,实用性而有待改进[1]。

(2)矿山水文地质勘查工作做得不到位

大部分煤矿水文地质调查工作开展不到位,有关矿井水文地质条件的技术文件不完善,实际观测资料还很缺乏。水文资料档案不详尽、不完整,部分开采单位甚至尚未对矿井水量进行现场观测。

(3)未能掌握水害发生的类型以及隐患的存在情况

一些开采单位在对矿山的水文和地质结构进行调查时存在问题,例如无法准确确定水源区域、水源储存类型以及发生水灾的隐患几率。在许多情况下,对井下水文灾害预测会产生延迟,导致严重矿井水灾的发生[2]。

(4)矿井中水害防治的必要性

随着煤炭资源消耗量的不断增加,采矿的生产规模也逐年增加,矿山的开采深度渐渐上涨,矿山的经营条件日益复杂,遭受洪水泛滥的可能性不断上升,因此,在勘探矿井地下水情况时需要格外小心,避免对矿山的正常安全工程产生干扰。

2.矿井水文灾害现象

(1)空水现象

空水现象会导致矿井积水,在实际开矿过程中,矿井中有许多山体空洞,空洞体积较大,如果局部地表降水或矿岩中的水渗入此区域,便会形成空水区域。从某种意义上讲,空水类似于矿井地下水库。如果开采过程中损坏了蓄水区域,便容易产生矿难。随着时间的推移,空水区域会逐渐拥有巨大的水容量,一旦泄露后果不堪设想。此外,老空水区域被挖开时,会产生有毒气体严重危害井下工作人员的生命、健康和安全,也给矿业公司带来了巨大的经济风险。矿层与含水层相似。在两个含水层之间储存了大量的地下水。长此以往含水层之间的压力会逐渐增大。如果在地下作业中遇到这种岩石,开采破坏了岩石应力平衡便会产生泄露,进而淹没矿井[3]。老空水区域因没有活水流入,导致在空气中长期储存,容易产生较高的酸值,并且存在许多有毒物质。一旦发生意外空气接触,过量有毒物质的浓度也可能导致严重的安全事故。

(2)含水隔水层

地下水的主要类型是承压水。大多数含水层暴露在地面上,在那里它们可以接受大气降雨并增加其含水量。矿井含水层和地质条件比较复杂,如含水层可分为奥陶系上马家沟组、石炭系上统太原组以及峰峰组[4]。上马家沟组地层具有发达的岩溶裂隙,不同地区岩溶裂隙发育程度不同。岩层富水性强。就其性质而言,峰峰组地层厚度很大,所以富水性很差。石炭系上统太原组以薄灰岩为主,岩溶形态以溶蚀孔隙和裂隙为主,常为次生生物充填。矿山防渗层又分为三层,三层的性质各异,按照不同地质情况其本身的特性也不同。

(3)地质断层

由于地质条件的原因,矿井建设工程在穿越断层时,可能会将断层形成的水渠内的积水引至井内。正常情况下,断层缺口两侧土壤容易崩塌,导致井内进水严重。

(4)开采裂缝

由煤层产生的破裂煤层受到重力的强烈影响,发生坍塌的可能性大。当矿井开始开采时,应将开采煤的上部土壤层铺平,从而减少重力影响破坏土壤层的平衡。

(5)施工钻孔密封不到位

在采矿过程中会产生许多施工钻孔。在施工结束后,通常应用混凝土密封。然而由于混凝土材料和密封技术的影响,部分的施工钻孔密封不正常,造成水源侵入或是土壤结构不稳定等问题[5]。

3.矿井防止水灾的策略

在矿山运营过程中,由于内部水压的作用,导致出现了许多露天空间水安全事故。首先,施工队应对地下水水文地质环境进行全面调查。控制矿区断层下山,了解并开展水文地质的综合特性,矿井水文地质研究应以探测地表和顶板为主,利用无线电穿透煤层来进行探测,利用探测数据来分析了解煤层和富水含水层的水输导结构。

(1)防止老空水

防止老空水是矿山管理者应密切关注的重点。老空水分布广泛,研究界一直对空水可能产生的具体位置、被困水的大小和含量水平感到困惑。在开采过程中,矿井淹水事故不仅影响正常开采,而且还会造成许多人员伤亡和经济损失。对空水进行防治的技术必须满足以下流程:调查空水,在采矿和挖掘之前,管理人员需要仔细检查旧的空水区域,并保持良好的勘探记录。并利用科学技术手段,对井矿附近的老水源地进行普查[6]。同时,还存在许多煤矿规模较小,对空水和区域调查的范围和深度不够,导致水灾事故的发生。矿业单位需要派技术人员对空水进行科学合理的调查,积极运用物探方法,有效调查地下、地上和天然水体,确保矿山安全的需要。

(2)使用矿井顶板支护

最常用的支护方法是加强顶板的支护。基本支撑结构主要由木、石、钢三部分组成。采用木制支撑结构的优点是重量轻,容易放在架子上。适用于煤矿井下各种施工环境,但木材支撑结构的不足、易腐、防水差等弊端明显。而石头支架是由灰浆和石头制成的,可以使用石材来源,具有经济性,同时石头支撑结构还可以防止围岩的风化现象出现。

(3)加固策略

常用的加固方法有两种。一种是注浆加固,另一种是机械加固。机械加固主要用于松动固体围岩的水平压扁,注浆加固则是将泥浆灌入围岩体内。围岩和抽浆均处于高应力平衡状态。在这种状态下,封闭围岩的裂缝,能够保证地质结构的稳定,防止蓄水区域的稳定性被破坏,进而预防水灾发生[7]。

(4)实时监测水环境并使用防水煤柱

实时监测矿井周边蓄水区域的水量、压力、容积、水压、水位的变化并做好预防措施,以防止发生水灾。同时,使用防水煤柱结构屏障能够减少矿井下发生洪水的可能性,从而保证有效和安全的生产。采矿单位还可以使用露天开采方法来降低开采对岩层的压力,从而使煤层底板的破坏最小化。

(5)合理截水和准确预测

在采矿过程中,工人需要合理地安装和挖掘排水设施,以挖掘和拦截矿井附近的道路,最大限度地发挥辅助通道的优点,为后续开采打下良好的基础。合理截水可以实现矿井排水,节约成本。通过在矿井中心设置泵站,来用于地表水封堵后的地表渗透,影响整体安全,逐步合理堵水,有效控制渗水。在矿山开采过程中,应建立合理的防治措施和防灾措施。

目前预测技术能够与最新的有机电子技术相结合,防止漏报的情况出现。如果部分地区出现积水,可以及时进行预测,帮助施工人员解决相关问题。矿井的水灾预测必须保证准确性,通过核实相应的地质情况信息,在技术预测多样性成果的基础上,综合考察当地矿山环境因素,得出准确的预测报告。同时,根据现有的管理体制和水资源要求,建立适合实际情况的科学决策流程,满足保护要求和现状要求。

(6)落实堵水措施

在对矿井的水源处理过程中,工作人员需要根据风险合理处理相应的水文地质资源,了解工程可能对地质结构产生的影响。在分析范围的基础上,结合岩石本身的力学特性,来分析含水层和采集区域结构的变化情况,总结整体特征,以便于后续施工[8]。在开采过程中,对高渗水风险的区域可以缩小勘察范围,利用数值模拟和应力场演化模型来分析地质结构的影响,以保证高效开采。事实上,在疏通和堵水时,很难完全堵死水源,主要的治理目标应是控制在水压范围内。通过有效落实堵水策略,可以从根本上消除项目中存在的渗水危险性,解决隐患和安全问题,提高工程开采的效率和安全性。

(7)提高排水效率

在施工过程中,由于每个矿井本身情况不同,职工个人情况不同等因素,工程需要严格遵循现行标准化安全操作规程,以保证采矿工程正常进行。地区地下水层地质条件受外界因素影响较大,特别是在一些老矿区,水层的运动无法进行相应的预测,因为地质条件一直在变化。为解决渗水问题,需要加强落实排水工作,优化现有排水能力。对排水量的工作预测可以通过计算分析相关水源因素,了解数据的相关性,建立完整的多元统计分析模型来进行。通过预测进水量,来选择能够满足当前需求排水量的策略,或是对当前的排水工作进行合理的优化,并根据实际情况进行工作流程安排,明确工作进度,建立一个高质量的排水系统,满足矿井工作需要。